EP0035131A1 - Gasentwickelnde Metallelektrode für elektrochemische Prozesse - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a gas-developing metal electrode for electrochemical processes, in particular coated titanium anode for amalgam cells, consisting of rods arranged in a horizontal plane at a distance from one another and parallel to one another, the surfaces of which form the working surface of the electrode and which have a cross section whose extension is perpendicular to Level is larger than parallel to it.
- Gas-evolving, horizontally arranged metal electrodes usually the anode, to which a counter electrode, also horizontally arranged, and the cathode, is arranged, must meet several criteria.
- the first criterion is the requirement to remove the gas developed at the anode as quickly as possible.
- the anode must have a free area in the horizontal arrangement plane, i.e. Have interruptions or the like, through which the gas developing on the underside of the anode can escape upwards.
- This free area of the anode should be as large as possible.
- this free area A should be approximately 33% of the projected area of the anode, which is formed by the length times the width of the area occupied by the anode in the horizontal plane.
- the proportion of the area of the anode that runs parallel to the cathode should be as small as possible so that the free area for discharging the gas is as large as possible, a proportion of the working area must extend perpendicular to the plane of the anode. Based on experience, the difference between the closest and furthest point of the working surface in relation to the cathode should be a maximum of 2.0 mm. In the Accordingly, the coating must primarily be applied to the support, ie the rods or the like.
- the wear on the coating or coating also depends very much on the true current density. It is therefore necessary to obtain the largest possible working anode area for a cathode area predetermined by the cell dimensions.
- the so-called projected anode area is given by the anode length and width. In most cases it is specified by the user and can therefore only be influenced to a limited extent. However, the projected area says very little about the size of the working area of the anode and thus about the true current density. However, the ratio of working area to projected area is definitely to be aimed at.
- the cross section of the rods is composed essentially of a rectangle whose height is perpendicular to the plane and at least one segment whose chord corresponds to the width of the rectangle and that connects to a broad side of the rectangle with its tendon.
- the cross section of the bars can then be described essentially as an oval or as a flattened circle on two opposite sides.
- the inventive design of the bars with a cross cut in the manner of an oval ensures an increase in the distance between the individual rods and thus an increase in the free area of the anode, with the result of an improved discharge of the gas generated at the anode during operation compared to anodes with round rods.
- the anode according to the invention is therefore particularly suitable for amalgam cells working with relatively high currents and thus high current densities, since the gas evolution which is likewise increased at increased current densities can be controlled.
- the proportion of the working surface running perpendicular to the arrangement plane of the rods is simultaneously increased in comparison with the round rods, and the proportion of the working surface lying in the current shadow from the point of view of the cathode is also reduced.
- the design of the rods according to the invention has the advantage that they have no edges of this type which cause increased wear on the coating.
- the cross section according to the invention will be formed by a rectangle and two adjoining segments. But it is also conceivable that the cross section consists of a rectangle and only one segment.
- the cross section according to the invention can be easily started from a round material, e.g. by a drawing or rolling process.
- the metal electrode according to the invention consists of rods 1 arranged in a horizontal plane at a distance from one another and parallel to one another. These rods 1 are connected both mechanically and electrically to current supply rails 2 which are spaced apart and parallel to one another and perpendicular to the bars are arranged on the top.
- the power supply rails 2 are either directly or via cross rails 3 with a power supply pin 4 electrically conductive and optionally also mechanically connected.
- the cross-section of the rods 1 and their arrangement in the horizontal arrangement plane can best be seen in FIG. 2.
- the cross-section of the rods 1 is composed of a rectangle 1a, the height h R of which is perpendicular to the arrangement plane of the rods, and two segments 1b whose chord corresponds to the width of the rectangle and which join with their chord on the respective broad side of the rectangle 1a.
- the segments 1b are preferably circular segments with a radius r.
- the rods 1 have a rod width s and are arranged at a distance of a gap width sp from one another.
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Abstract
Eine gasentwickelnde Metallelektrode für elektrochemische Prozesse, insbesondere beschichtete Titananode für Amalgam-Zellen, besteht aus in einer horizontalen Ebene im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Stäben (1), deren Oberflächen die arbeitende Fläche der Elektroden bilden und die einen Querschnitt haben, dessen Erstreckung senkrecht zur Ebene größer ist als parallel dazu. Um eine Elektrode der vorausgesetzten Art dahingehend weiterzubilden, daß das während des Betriebs entwickelte Gas rasch abgeführt wird, ein geringer Verschleiß der Beschichtung der Stäbe auftritt, die arbeitende Fläche der Anode möglichst nahe an der Kathode liegen kann, der Anteil der arbeitenden Fläche der Anode, der Aussicht der Kathode im Stromschatten liegt, möglichst klein ist und einfach und billig herstellbar ist, ist der Querschnitt der Stäbe (1) aus einem Rechteck (1a), dessen Höhe (hR) senkrecht zur Ebene verläuft, und mindestens einem Segment (1b) zusammengesetzt, dessen Sehne der Breite des Rechtecks (1a) entspricht und das sich mit seiner Sehne an eine Breitseite des Rechtecks (1a) anschließt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine gasentwickelnde Metallelektrode für elektrochemische Prozesse, insbesondere beschichtete Titananode für Amalgam-Zellen bestehend aus in einer horizontalen Ebene im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Stäben, deren Oberflächen die arbeitende Fläche der Elektrode bilden und die einen Querschnitt haben, dessen Erstreckung senkrecht zur Ebene größer ist als parallel dazu.
- Gasentwickelnde, horizontal angeordnete Metallelektroden, im Regelfall die Anode, der eine ebenfalls horizontal angeordnete Gegenelektrode, im Regelfall die Kathode, gegengeordnet ist, müssen mehrere Kriterien erfüllen.
- Das erste Kriterium besteht in dem Erfordernis, möglichst schnell das an der Anode entwickelte Gas abzuführen. Hierfür muß die Anode eine in der horizontalen Anordnungsebene befindliche freie Fläche, d.h. Unterbrechungen oder dergleichen, besitzen, durch die das an der Unterseite der Anode sich entwickelnde Gas nach oben hin entweichen kann. Diese freie Fläche der Anode soll möglichst groß sein. Nach Erfahrungswerten soll diese freie FlächeA ca. 33 % der projizierten Fläche der Anode, die gebildet ist durch die Länge mal der Breite der von der Anode in der horizontalen Ebene eingenommenen Fläche, sein. Nachdem die bei Lochblechen, Streckmetallgittern oder dergleichen erzielbaren Durchbrechungen, die die freie Fläche bilden, durch die das Gas abgeführt werden kann, ungenügend für diesen Zweck sind, ist man zu im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Stäben übergegangen, deren Oberfläche die arbeitende Fläche der Elektrode bilden.
- Bei Stäben mit Kanten aufweisenden Profilen, wie z.B. Rechteck- oder Dreieckprofilen, wurde gefunden, daß an den Kanten ein erhöhter Verschleiß der Beschichtung der Stäbe auftrat. Als zweites Kriterium ist deshalb die Maßnahme anzusehen, ein Stabprofil zu verwenden, das keine scharfen Kanten aufweist. Unter Berücksichtigung auch dieser Bedingung ist man zu Stäben mit Kreisquerschnitt übergegangen.
- Neben diesen beiden wesentlichen Kriterien müssen noch weitere Bedingungen eingehalten werden.
- Eine dieser weiteren Bedingungen besteht darin, daß die arbeitende Fläche der Anode möglichst nahe an der Kathode liegen muß. Je weiter die arbeitende Fläche der Anode von der Kathode entfernt ist, desto größer ist die Zellenspannung und damit der zur Erzeugung des gewünschten Produkts benötigte Energiebedarf. Da die Chloralkalielektrolyse nach dem Amalgamverfahren mit einer Quecksilberkathode arbeitet, die aufgrund dieses Werkstoffes nicht voll formstabil sein kann und bei einem eventuellen Kurzschluß, der durch ein Verformen der Kathode und einer dadurch herbeigeführten Berührung mit der Anode entsteht, aufgrund der bei diesem Verfahren hohen Stromdichten schwere Schäden an der Anode entstehen, wird im wesentlichen mit einem Anoden-Kathoden-Abstand von 3 mm, abhängig-von der Stromdichte und von sonstigen Gegebenheiten, wie Überwachungsmöglichkeiten usw., gearbeitet. Da der Anteil der Fläche der Anode, die parallel zur Kathode verläuft, möglichst klein sein soll, damit die freie Fläche zum Abführen des Gases möglichst groß ist, muß sich ein Anteil der arbeitenden Fläche senkrecht zur Ebene der Anode erstrecken. Nach Erfahrungswerten soll die Differenz zwischen dem nahesten und entferntesten Punkt der arbeitenden Fläche in bezüg auf die Kathode maximal 2,0 mm betragen. In diesem Bereich muß demnach in erster Linie die Beschichtung auf den Träger, d.h. die Stäbe oder dergleichen, aufgebracht sein.
- Ein weiteres Kriterium besteht darin, daß der Anteil der arbeitenden Fläche der Anode, der aus Sicht der Kathode im Stromschatten liegt, möglichst klein sein soll. Hieraus resultiert, daß für den Anteil der arbeitenden Fläche, der senkrecht zur Anodenebene verläuft, neben dem oben erläuterten Grenzwert von 2,0 mm als weiterer Grenzwert der Radius der Rundstäbe berücksichtigt werden muß.
- Ferner ist zu bedenken, daß der Verschleiß der Beschichtung bzw. des Coatings auch sehr stark von der wahren Stromdichte abhängt. Es ist deshalb erforderlich, für eine durch die Zellenabmessungen vorgegebene Kathodenfläche eine möglichst große arbeitende Anodenfläche zu erhalten. Die sogenannte projizierte Anodenfläche ist durch die Anodenlänge und -breite gegeben. Sie ist in den meisten Fällen anwenderseitig vorgegeben und daher nur wenig beeinflußbar. Die projizierte Fläche sagt aber nur sehr wenig über die Größe der arbeitenden Fläche der Anode und damit über die wahre Stromdichte aus.,Anzustreben ist jedoch auf jeden Fall ein Verhältnis von arbeitender Fläche : projizierter Flächest.
- Die bekannten Metallelektrodenbzw. Anoden der angesprochenen Art erfüllen die herausgearbeiteten Kriterien nur teilweise.
- Bei den bekannten Anoden mit Rundstäben ist zwar im Gegensatz zu Stäben mit Kanten aufweisenden Profilen ein vorzeitiger Verschleiß des Coatings vermieden, jedoch weisen die Rundstäbe die Nachteile auf, daß der im wesentlichen senkrecht zur Anodenebene bzw.parallel zur Hauptfließrichtung des elektrischen Stroms liegende Anteil der arbeitenden Fläche der Anode relativ klein, hingegen der aus Sicht der Kathode im Stromschatten liegende und damit nicht oder nicht voll ausgenutzte Anteil der arbeitenden Fläche der Anode relativ groß ist und darüber hinaus das Verhältnis zwischen freier und projizierter Fläche der Anode ungünstig ist mit der Folge einer ungenügenden Abfuhr des entwickelten Gases.
- Bei den bekannten Elektroden bzw. Anoden der vorausgesetzten Art, bei denen die Stäbe einen Rechteckquerschnitt haben, dessen senkrecht zur Anordnungsebene der Stäbe verlaufende Höhe größer ist als die parallel zu dieser Ebene gerichtete Breite, weisen in erster Linie den Nachteil auf, daß an den Kanten die Beschichtung schnell verschleißt und damit die Lebensdauer derartiger Elektroden gering ist.
- Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektrode der vorausgesetzten Art dahingehend weiterzubilden, daß sie die geschilderten Bedingungen besser erfüllt als die bekannten Anordnungen und trotzdem einfach und billig herstellbar ist.
- Diese Aufgabe wird bei einer Metallelektrode der im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß der Querschnitt der Stäbe im wesentlichen aus einem Rechteck, dessen Höhe senkrecht zur Ebene verläuft, und mindestens einem Segment zusammengesetzt ist, dessen Sehne der Breite des Rechtecks entspricht und das sich mit seiner Sehne an eine Breitseite des Rechtecks anschließt. Der Querschnitt der Stäbe kann danach im wesentlichen als ovalförmig bzw. als auf zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflachter Kreis beschrieben werden.
- Die erfindungsgemäße Ausbildung der Stäbe mit einem Querschnitt in Art eines Ovals gewährleistet eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den einzelnen Stäben und damit eine Vergrößerung der freien Fläche der Anode mit der Folge einer gegenüber Anoden mit Rundstäben verbesserten Ableitung des an der Anode während des Betriebs erzeugten Gases. Die erfindungsgemäße Anode ist deshalb speziell für mit relativ hohen Strömen arbeitenden Amalgam-Zellen und damit hohen Stromdichten geeignet, da die bei erhöhten Stromdichten ebenfalls vergrößerte Gasentwicklung beherrschbar wird.
- Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist gegenüber den Rundstäben zugleich der senkrecht zur Anordnungsebene der Stäbe verlaufende Anteil der arbeitenden Fläche erhöht und ferner der aus der Sicht der Kathode im Stromschatten liegende Anteil der arbeitenden Fläche verkleinert.
- Gegenüber den Stäben mit rechteckigen Querschnitt aufweisenden Elektroden weist die erfindungsgemäße Ausbildung der Stäbe den Vorteil auf, daß diese keine derartigen Kanten besitzen, die einen erhöhten Verschleiß der Beschichtung bedingen.
- Im Regelfall wird der erfindungsgemäße Querschnitt durch ein Rechteck und zwei anschließende Segmente gebildet sein. Es ist aber auch denkbar, daß der Querschnitt aus einem Rechteck und nur einem Segment besteht.
- Der erfindungsgemäße Querschnitt läßt sich einfach, ausgehend von einem Rundmaterial, z.B. durch einen Zieh- oder Walzvorgang, erzeugen.
- Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.
- So ergibt sich eine besonders einfache Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Profils dann, wenn das Segment des Querschnitts der Stäbe ein Kreissegment ist. In diesem Fall muß nämlich das Rundmaterial nur an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeplattet werden.
- Erfahrungen haben gezeigt, daß für das erfindungsgemäße Ovalprofil folgende Bemessungsgrenzen von Vorteil sind:
- - Höhe hR des Rechtecks des Querschnitts. > 1,0 mm
- - Breite s des Stabs 3,00 mm ≦ s A 5,55 mm
- - Radius r des Kreissegments 1,62 mm ≦ r ≦ 5,55 mm
- Ein besonders augenscheinlicher Vergleich der Bemessungsregeln zwischen Rundstäben und Stäben mit dem erfindungsgemäßen Profil ergibt sich aus der folgenden Tabelle:
- Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Profils ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt:
- Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Anode und
- Fig. 2 die Einzelheit X gemäß Fig. 1.
- Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besteht die erfindungsgemäße Metallelektrode aus in einer horizontalen Ebene im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Stäben 1. Diese Stäbe 1 sind sowohl mechanisch als auch elektrisch mit Stromzuleitungsschienen 2 verbunden, die im Abstand und parallel zueinander und senkrecht zu den Stäben auf deren Oberseite angeordnet sind. Die Stromzuleitungsschienen 2 sind entweder unmittelbar oder über Kreuzschienen 3 mit einem Stromzuleitungsbolzen 4 elektrisch leitend und gegebenenfalls auch mechanisch verbunden.
- Der Querschnitt der Stäbe 1 und deren Anordnung in der horizontalen Anordnungsebene ergeben sich am besten aus der Fig. 2. Danach ist der Querschnitt der Stäbe 1 aus einem Rechteck 1a, dessen Höhe hR senkrecht zur Anordnungsebene der Stäbe verläuft, und zwei Segmenten 1b zusammengesetzt, deren Sehne der Breite des Rechtecks entspricht und die sich mit ihrer Sehne an der jeweiligen Breitseite des Rechtecks 1a anschließen. Die Segmente 1b sind bevorzugt Kreissegmente mit einem Radius r.
- Wie sich ferner aus der Fig. 2 ergibt, weisen die Stäbe 1 eine Stabbreite s auf und sind im Abstand einer Spaltbreite sp zueinander angeordnet.
Claims (5)
1. Gasentwickelnde Metallelektrode für elektrochemische Prozesse, insbesondere beschichtete Titananode für Amalgam-Zellen, bestehend aus in einer horizontalen Ebene im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Stäben, deren Oberflächen die arbeitende Fläche der Elektrode bilden und die einen Querschnitt haben, dessen Erstreckung senkrecht zur Ebene größer ist als parallel dazu, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Stäbe (1) aus einem Rechteck (1a), dessen Höhe (hR) senkrecht zur Ebene verläuft, und mindestens einem Segment (1b) zusammengesetzt ist, dessen Sehne der Breite des Rechtecks (1a) entspricht und das sich mit seiner Sehne an eine Breitseite des Rechtecks (1a) anschließt.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (1b) ein Kreissegment ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (hR) des Rechtecks mindestens 1,0 mm ist.
4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite s des Stabs 3,00 mm ≦ s ≦ 5,55 mm ist.
5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius r des Kreissegments 1,62 mm≦r≦5,55 mm ist.
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